Detection of the real joint interface between ultrasonically welded aluminium strands (Al-strands) and copper terminals (Cu-terminals) connections using non-destructive testing methods
Cette étude examine des méthodes de contrôle non destructif avancées, incluant la tomographie par ordinateur et l'imagerie thermique, afin de quantifier la compaction des brins et de caractériser la surface de liaison effective des joints aluminium-cuivre soudés par ultrasons, dans le but d'améliorer la prédiction de la qualité et de remplacer l'échantillonnage destructif limité dans la production d'électrification automobile.
Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète
Dans le monde de l'électrification rapide des voitures modernes, le système électrique est le système nerveux, transportant l'énergie de la batterie vers le moteur et chaque unité de commande entre les deux. Alors que les véhicules passent de systèmes de 40о volts à des architectures de 800 volts plus puissantes pour permettre une recharge plus rapide, la demande sur ces connexions électriques s'est intensifiée de manière immense. Pour gérer la chaleur et le courant, les ingénieurs doivent souvent joindre deux métaux différents : l'aluminium, qui est léger et moins coûteux, et le cuivre, qui est un excellent conducteur mais plus onéreux. Joindre ces métaux de natures différentes est délicat car ils se comportent différemment sous l'effet du stress et de la chaleur. La norme de l'industrie pour réaliser ces connexions est le soudage par ultrasons, un processus qui utilise des vibrations à haute fréquence pour presser les métaux ensemble jusqu'à ce qu'ils fusionnent sans fondre. Cependant, comme le soudage se produit très rapidement et à l'intérieur du matériau, il est difficile de savoir si la liaison est réellement solide ou si des vides cachés subsistent. Si une connexion échoue, la voiture pourrait perdre de la puissance ou surchauffer, ce qui rend vital de trouver un moyen d'inspecter ces joints sans les briser.
Une équipe de chercheurs de l'Université RWTH d'Aachen en Allemagne s'est donné pour mission de résoudre ce problème en testant diverses méthodes non destructives afin de voir la zone de liaison réelle à l'intérieur de ces connexions aluminium-cuivre. Ils se sont concentrés sur un type spécifique de joint où un faisceau de fils d'aluminium est soudé à une borne en cuivre, une configuration courante dans le câblage des véhicules électriques. Les chercheurs savaient que la force du joint dépend de la quantité d'aluminium qui fusionne réellement avec le cuivre, mais ils avaient besoin d'un moyen de mesurer cette interface invisible sans détruire la pièce. Pour ce faire, ils ont créé deux groupes d'échantillons de test : un groupe soudé avec des réglages parfaits pour créer des joints solides et fiables, et un autre groupe soudé avec de mauvais réglages pour créer des joints faibles et défectueux. Ils ont ensuite soumis ces échantillons à une batterie de différentes techniques d'inspection, allant de l'imagerie thermique aux ondes sonores, pour voir quelle méthode pouvait clairement distinguer une bonne liaison d'une mauvaise.
Le premier groupe de méthodes testées reposait sur la chaleur. L'idée était qu'une zone bien liée conduirait la chaleur différemment d'une zone mal liée, créant un motif de température visible à la surface. Les chercheurs ont utilisé des lasers et des lampes halogènes pour chauffer les échantillons et des caméras infrarouges pour observer comment la chaleur se propageait. Cependant, ils ont constaté que cette approche échouait complètement pour ces matériaux spécifiques. Comme le cuivre est un excellent conducteur thermique, toute chaleur introduite en un point précis se propageait si rapidement à travers l'ensemble de la borne que cela lissait toutes les différences locales. Les caméras voyaient une lueur uniforme plutôt que les motifs distincts nécessaires pour repérer un défaut. La chaleur se déplaçait trop vite à travers le métal pour révéler les vides cachés entre les fils et la borne.
Ensuite, l'équipe s'est tournée vers le son, en utilisant spécifiquement des ondes ultrasonores, qui sont des vibrations à haute fréquence similaires à celles utilisées en imagerie médicale. Ils ont testé deux variantes : l'une utilisant un laser pour générer les ondes sonores et une autre utilisant une sonde traditionnelle avec un couplage aqueux. La méthode laser semblait prometteuse en théorie, mais elle s'est heurtée à un obstacle pratique. Le processus de soudage laisse de petites marques texturées à l'arrière de la borne en cuivre, là où la machine la maintient. Ces marques ont brouillé les ondes sonores générées par le laser, rendant les images trop bruitées pour être interprétables. Les chercheurs ont constaté qu'ils devraient meuler mécaniquement ces marques sur la pièce avant de pouvoir obtenir une image claire, une étape impossible dans une véritable ligne d'usine où les pièces doivent être inspectées dès leur sortie de la machine.
La méthode qui a finalement fonctionné est la microscopie acoustique à balayage, une technique qui utilise une sonde focalisée pour envoyer des ondes sonores dans le joint et écouter les échos. Cette approche s'est avérée être l'outil le plus efficace pour la tâche. Lorsque les chercheurs ont scanné les joints solides et bien réalisés, les images montraient une zone large et continue où les fils d'aluminium avaient fusionné avec succès avec la borne en cuivre. En revanche, les scans des joints faibles et défectueux révélaient un tableau très différent : seulement de petites îles de liaison éparses, avec de grands espaces où les métaux se touchaient simplement sans être fusionnés. Les images montraient clairement que les mauvaises soudures manquaient du contact étendu nécessaire pour une connexion forte.
Pour confirmer que ces observations visuelles importaient réellement, les chercheurs ont comparé la taille de la zone liée observée dans les scans avec la résistance physique des joints. Ils ont arraché les échantillons à l'aide d'une machine mesurant la force nécessaire pour les briser. Les résultats étaient clairs et cohérents. Les échantillons présentant de larges zones liées continues dans les scans acoustiques ont résisté à des forces nettement plus élevées, allant de 4 250 à 5 000 newtons. Les échantillons avec de petites zones de liaison fragmentées ont échoué à des forces beaucoup plus faibles, entre 900 et 1 600 newtons. Cela a confirmé que la taille de la liaison invisible prédit directement la force du joint. L'étude a également examiné la tomographie assistée par ordinateur, un type d'imagerie X en 3D, qui pouvait montrer où les fils étaient serrés, mais ne pouvait pas prouver de manière définitive s'ils étaient chimiquement fusionnés ou simplement pressés les uns contre les autres. La méthode acoustique est restée supérieure car elle pouvait identifier spécifiquement la liaison métallurgique.
L'étude conclut que bien que de nombreuses méthodes d'inspection de haute technologie existent, la microscopie acoustique à balayage est le moyen le plus fiable de voir la qualité réelle de ces soudures par ultrasons sans endommager la pièce. Elle comble avec succès le fossé entre la structure interne invisible et la résistance mesurable du joint. Bien que l'équipement soit actuellement trop lent et complexe pour vérifier chaque pièce sur une ligne d'assemblage à mouvement rapide, les conclusions fournissent un outil puissant pour les ingénieurs. Ils peuvent désormais utiliser cette méthode pour affiner les machines de soudage, valider de nouveaux designs et garantir que les connexions critiques dans les véhicules électriques sont sûres et robustes. En comprenant exactement comment la liaison se forme et comment la voir, les fabricants peuvent se rapprocher d'un avenir où chaque voiture électrique possède un système de câblage aussi fiable que la technologie qu'elle alimente.
Noyé(e) sous les articles dans votre domaine ?
Recevez des digests quotidiens des articles les plus récents correspondant à vos mots-clés de recherche — avec des résumés techniques, dans votre langue.